Selasa, 20 Januari 2015

Jalur Metabolisme Glutamat dalam Industri MSG

MAKALAH MIKROBIOLOGI INDUSTRI
JALUR METABOLISME GLUTAMAT DALAM INDUSTRI MONOSODIUM GLUTAMAT (MSG)


Disusun oleh:
Ayu Andriyani
M0412012


JURUSAN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2014




BAB I
PENDAHULUAN
A.  Latar Belakang
Penyedap rasa merupakan bahan tambahan pangan yang dapat memberikan, menambah atau mempertegas rasa dan aroma. Penyedap rasa dan aroma dapat digolongkan sebgai bahan alami dan sintestik. Beberapa yang termasuk penyedap atau penguat rasa adalah 5’-nukleotida, maltol, Dioctyl sodium sulfasuccinate, N,N’-di-o-tolyethylenediamine dan cyclamic acid serta MSG. Penyedap ini biasanya ditambahkan pada permen, minuman, makanan ringan serta biskuit dan kue. Penyedap biasanya diperdagangkan dalam bentuk campuran.
Salah satu penyedap makanan yang banyak dikenal masyarakat adalah MSG atau Monosodium Glutamat. MSG berbentuk kristal putih dan kaya akan glutamat. Banyak digunakan sebagai bumbu masakan. Namun sebenarnya MSG tidak mempunyai rasa, tapi mempunyai fungsi sebagai penegas rasa (flavor enhancer).
Pada dasarnya terdapat 3 metode pembuatan MSG, yaitu (1) hidrolisis,  metode yang telah lama tidak digunakan, (2) fermentasi , metode yang saat ini banyak dilakukan dan (3) sintesis, berbasis pada akrilonitril. Pembuatan asam glutamate dengan secara fermentasi dengan bantuan Corynobacterium, Brevibacterium, Microbacterium atau Arthrobacterium. 
       Perkembangan di bidang Mikrobiologi Industri menyebabkan produksi MSG secara cepat dalam jumlah yang besar dengan bantuan mikroorganisme. Makalah ini akan membahas tentang metabolisme MSG dan proses produksinya.
B.  Rumusan Masalah
1.      Bagaimanakah jalur metabolisme produksi  glutamat?
2.      Bagaimanakah proses produksi monosodium glutamat?
C.  Tujuan
1.      Mengetahui jalur metabolisme produksi glutamat
2.      Mengetahui proses produksi monosodium glutamat.



BAB II
ISI
Monosodium Glutamat (MSG) merupakan turunan kimia L-Glutamic acid monosodium salt atau natrium glutamat (sodium glutamat). Sedangkan ikatan aslinya adalah asam glutamat atau glutamic acid yang mampu mengikat dua ion positif. Karena unsur Na hanya memiliki satu valensi, maka masih ada satu unsur asam. Karena yang diikat baru satu, maka disebut mono. MSG memiliki rumus kimia  C5H8 NNaO4 (Winarno, 1989).
Dalam Winarno dan Titi (1994) rumus molekul MSg adalah:
HOOC-CH-CH-COONa-H2O
NH2
CsH8NNaO4-H2O (M.w 187 13)
Asam Glutamat merupakan bagian dari kerangka utama berbagai jenis molekul protein yang terdapat dalam makanan, dan secara alami terdapat dalam jaringan tubuh manusia. Selain terdapat dalam bentuk protein, glutmat juga ditemukan dalam bentuk bebas. Glutamat bebas inilah yang berfungsi secara efektif sebagai pembangkit citarasa dan memegang peranan dalam kelezatan dan penerimaan konsumen terhadap makanan. Oleh karena itu tomat atau keju sering digunakan dalam makanan karena mengandung glutamat bebas dalam jumlah tinggi. Glutamat bebas tersebut dapat bereaksi dengan ion sodium (natrium) membentuk garam MSG (Winarno dan Titi, 1994).
Regulasi Pembentukan Asam Glutamat
Salah satu tambahan lain selain pengkontrolan metabolik, sel mikroorganisme ternyata memiliki mekanisme efektif  yang selain dan penting untuk ekonomi kehidupannya, yaitu kontrol permeabilitas. Penahan permeabilitas utama adalah membran sel. Lapisan tebal sekeliling membran sel memberikan kekuatan, kecuali untuk molekul-molekul besar yang membiarkan sebagian besar aktivitas selektifnya kepada membran. Pengaturan metabolik mencegah sintesis yang berlebihan dari metabolik-metabolik dan makro molekul-makro molekul penting untuk kehidupan sel. Penahan permeabilitas membiarkan sel untuk menahan cairan pekat dari molekul-molekul yang sama dan secara sel efektif membawa nutrisi-nutrisi penting yang dibutuhkan ke dalam sel. Kondisi perubahan lingkungan melakukan kontrol yang ketat terhadap permeabilitas yang berlebihan.
Salah satu masalah dalam mikrobiologi industri adalah permeabilitas membran sel yang terbatas sehingga produk lebih cenderung tertahan di dalam sel. Kondisi ini akan menyebabkan segera tercapainya konsentrasi jenuh yang akan mengakibatkan hambatan umpan balik yang dapat menghentikan atau memperlambat proses pembuatan produk. Selama pertumbuhan pada glukosa, Corynebacterium glutamicum akan mengakumulasikan asam glutamate secara intraseluler sampai sel menjadi jenuh pada konsentrasi 50 mg/g bobot kering. Kemudian, diduga karena pengaturan umpan balik, akumulasi glutamate berhenti, kecuali jika penahan permebilitas diubah untuk mempermudah pengeluaran asam glutamat. Perubahan permeabilitas ke arah yang lebih permeable tersebut dapat dilakukan dengan pembatasan biotin di medium dan penambahan penisilin atau turunan-turunan asam lemak pada fase logaritmik.
Suatu peningkatan permeabilitas membrane bakteri dapat menyebabkan produksi asam glutamat yang tinggi. Sampai sejauh ini asam glutamat adalah asam amino yang paling komersial untuk memproduksi monosodium glutamat (MSG) sebagai penyedap rasa.Produksi dunia MSG hanya dihasilkan melalui teknik fermentasi. Banyak genus yang dapat menghasilkan asam glutamat yang tinggi misalnya Micrococcus, Corynebacterium, Brevibacterium dan Micobacterium. Jalur utama produksi asam glutamat dari glukosa adalah melalui jalur Embden-Meyerhof dan langkah-langkah awal siklus Krebs seperti yang diperlihatkan dalam gambar berikut ini:
a-ketoglutarat yang secara normal diubah menjadi suksinilkoenzim A, secara reduksi dideaminasi menjadi glutamat oleh glutamat dehydrogenase. Selama pertumbuhan pada glukosa mikroorganisme produsen asam glutamate mengakumulasikan glutamate secara intraseluler sampai sel menjadi jenuh pada konsentrasi 50 mg/g bobot kering, kemudian diduga karena pengaturan umpan balik, maka akumulasi glutamat akan terhenti, kecuali jika penahan permeabilitas diubah untuk mempermudah pengeluaran asam amino. Modifikasi permeabilitas ini dipengaruhi oleh keterbatasan biotin atau melalui penambahan bahan-bahan seperti penisilin atau turunan-turunan asam lemak. Penambahan penisilin selama fase logaritmik mengurangi ekspresi glutamat, dan konsentrasi intraseluler asam amino dengan cepat menurun menjadi 5 mg/g sel. Sel kemudian melanjutkan produksi selama 40-50 jam, selama ini tidak terjadi lisis pada sel. Peningkatan permeabilitas glutamat nampaknya hanya terjadi di bagian luar saja. Sel penghasil glutamat (defisiensi biotin) mengambil glutamat eksternal pada kecepatan 10% dari kecepatan sel normal.
Biotin mengontrol permeabilitas melalui peranannya pada sintesis asam lemak. Defisiensi biotin (seperti halnya dengan penambahan turunan asam lemak atau penisilin) menyebabkan perubahan yang nyata pada komposisi lemak pembungkus sel produse rglutamat. Hasil kunci defisiensi seperti ini menimbulkan juga defisiensi fosfolipida pada membran. Konsentrasi biotin yang umum digunakan adalah 1 dan 5 mg biotin per liter medium fermetasi. Suatu peningkatan dosis menjadi 15mg/1 akan meningkatkan kecepatan pertumbuhan dan secara praktis mengeliminasi sekresi glutamat.
Jika penisilin atau turunan asam lemak akan digunakan sebagai mekanisme pemacu, maka pemberiannya harus dilakukan pada fase logaritmik. Meskipun penisilin tidak menghambat sintesis fosfolipida, penambahannya pada medium fermentasi akan menghasilkan suatu ekskresi fosfolipida yang cepat. Auksotropik gliserol juga dapat digunakan untuk memproduksi glutamat. Seperti halnya biotin, suatu dosis batas tumbuh gliserol juga harus diberikan agar membrane sel memberikan permeabilitas yang tepat. Glutamat oleh strain-strain special juga dapat diproduksi dari sumber-sumber karbon lain selain glukosa. Hasil produksi glutamate dari etanol dapat mencapai jumlah 60g/liter (sekitar 66% hasil teoritis yang didasarkan pada etanol yang dikonsumsi), sedangkan strain-strain pencerna hidrokarbon menghasilkan glutamat 80% g/liter.Asam-asam organic seperti asetat juga sering digunakan dalam skala komersial dan menghasilkan sekitar 90 gram glutamat per liter. Bahkan suatu senyawa setoksik asam benzoate ternyata secara efisien dapat diubah menjadi glutamate dengan hasil 80 gram perliter.
Mikroorganisme yang mengkonservasikan hidrokarbon menjadi glutamat bersifat unik, karena mereka tidak membutuhkan biotin. Defisiensi biotin tidak menyebabkan kesulitan dalam mengkonversi karena n-parafin (hidrokarbon) dapat dipecah menjadi asam-asam lemak. Proses ini memotong kedudukan aksi biotin yang merupakan langkah pertama pada biosintesis asam lemak. Pada proses konvensi hidrokarbon, produksi glutamate dirangsang oleh penambahan penisilin.
Produksi glutamate dengan menggunakan strain Corynebacterium glutamicum dan Brevibacterium  flavum, harus dilaksanakan dengan konsentrasi biotin yang tinggi. Jika keterediaan biotin dibatasi, maka glutamat yang dihasilkan kurang mencapai sasaran yang diinginkan. Hal yang sama akan terjadi jika penisilin ditambahkan pada auksotrop yang tumbuh pada konsentrasi biotin yang tinggi, maka glutamat yang dihasilkan juga dan tinggi pula, sebab dari produksi ini terjadi asimilasi nitrogen melalui aminasi a-ketoglutarat ke glutamat yang dikatalisasi oleh glutamat dehidrogenase. Jadi nitrogen aspartat, lisin, asam-asam amino lainnya diperoleh dari glutamate melalui proses transaminasi. Jika mekanisme permeabilitas diubah dengan membatasi biotin atau dengan menambahkan penisilin, maka glutamate menghilang dari sel dan selanjutnya tidak dapat lagi bertindak sebagai prekursor asam-asam amino lainnya.
Produksi Asam Glutamat
Pembentukan asam glutamate dapat dilakukan dengan menggunakan Micrococcus glutamicum yang kemudian lebih dikenal dengan nama Corynebacterium glutamicum. Reaksi yang terjadi dalam produksi asam glutamate adalah sebagai berikut: 1) metabolisme glukosa melalui jalur EMP (Embden Meyerhof Partnas) dan HMS (Hexosa Monophosphat Shunt), 2) pada laju aerasi yang rendah, jalur EMP lebih dominan sehingga asam laktat lebih terakumulasi jika dibandingkan daripada asam glutamate, 3) dengan udara cepat, system HMS akan dominan sehingga asam glutamate akan terakumulasi. Setelah asam glutamate terbentuk, maka mikroorganisme hanya mempunyai sedikit kemampuan untuk menguraikan produk yang terjadi.
Pada system HMS, glukosa dioksidasi menjadi glukonat. Dari 6-phosphoglukonat dan ribose 5-phosphat terbentuklah piruvat dan asetat. Mikroorganisme ini tidak dapat mensintesis asam glutamatdari piruvat dan laktat., tetapi dapat memproduksi asam glutamate dari malat dan sitrat. Malat dihasilkan dari reaksi enzim, karena asam dengan 4 karbon dibutuhkan untuk pembentukannya. Asam sitrat dibentuk dari asetat dan oksalat, kemudian dioksidasi menjadi asam glutamate melalui NADP-dehidrogenase khusus, misalnya isositrat dehidrogenase dan L-glutamat dehidrogenase yang terhadap dalam ion ammonium. Selain mikroorganisme tersebut di atas, asam glutamate dapat diproduksi oleh Brevibacterium circulars, B. megaterium, B. cercus, B. divanicatum, B. flavum, B. laktofermantum, dan lain sebagainya.
Proses Pembuatan
Proses pembuatan MSG dalam skala industri berkembang dengan pesat setelah penemuan Corynebacterium glutamicum. Setelah tahun 1962 Jepang menemukan Brevibacterium flavum, dan Brevibacterium laktofermantum yang kini banyak digunakan. Pertama-tama biakan liofil yang telah diinokulasikan ke dalam tabung kolben berisi medium prastarter diinkubasi selama 16 jam pada 310C. Biakan prastarter setelah itu dapat  diinokulasikan ke dalam medium tangki starter. Penurunan pH akibat terbentuknya asam pada proses pembuatan prastarter tidak diinginkan, karena akan merubah pola pertumbuhan. Oleh karena itu untuk mencegah agar pH tidak turun lebih rendah dari 7. Untuk itu ke dalam labu prastarter perlu dimasukkan CaCO3 sebanyak 3%. Di dalam tangki pembibitan, penggunaan CaCO3 tidaklah mungkin karena akan menimbulkan efek samping berupa kerak dan endapan, dan juga akan mempengaruhi pertumbuhan dari mikroorganisme. Untuk mencegah turunnya pH dan menggantikan fungsi CaCO3, maka ke dalam tangki pembibitan dimasukkan urea. Nilai pH yang tertinggi yang terjadi akibat peruraian urea diharapkan tidak lebih dari 7,4, karena pH optimum untuk B. flavum adalah 7,0, sedangkan pH terendah diharapkan tidak kurang dari 6,8.
Kristalisasi Monosodium Glutamat
Kristal murni asam glutamate yang berasal dari proses pemurnian asam glutamate digunakan sebagai dasar penggunaan MSG. Asam glutamat yang dipakai dalam proses ini harus mempunyai kemurnian lebih besar dari 95% sehingga bisa didapatkan MSG yang berkualitas baik. Untuk mengubah asam glutamate menjadi MSG, Kristal tersebut dilarutkan dalam air sambil dinetralkan dengan NaOH atau NaHCO3  sampai pH menjadi 6,6-7. Pada keadaan ini asam glutamate sudah bereaksi dengan Na+ dan membentuk larutan MSG. larutan ini mempunyai derajad kekentalan sekitar 26-28OBE pada suhu 30OC dengan konsentrasi MSG antara 52-55 g/l larutan. Untuk lebih menjernihkan cairan MSG yang berwarna kuning jernih dan juga untuk menyerap kotoran lainnya ke dalam cairan ini ditambahkan arang aktif sebanyak 5% b/v. kemudian diaduk dan didiamkan selama 1 jam untuk lebih menyempurnakan proses penyerapan warna dan impurity lainnya. Arang aktif ini akan bekerja lebih baik pada pH di bawah netral. Hal ini dikarenakan pH larutan asam glutamate yang dinetralkan ini diatur di bawah pH netral. Cairan berisi arang aktif dan MSG ini kemudian disaring dengan menggunakan vakum filter dan menghasilkan filtrat serta cake yang berisi arang aktif dan impurity lainnya. Jika kekeruhan dan warna dari filtrat tersebut sudah sesuai dengan yang diinginkan, maka cairan ini bisa dikristalkan. Kristalisator hampa udara banyak digunakan untuk pengkristalan ini. Setelah cairan MSG tersebut memiliki kekentalan 26OBE, larutan ini kemudian diuapkan pada kondisi vakum 64 cmHg atau setara dengan temperatur didih 60OC. Pemekatan dilakukan sampai konsentrasi 68-69 g MSG / liter larutan. Karena cairan sudah mencapai fase jenuh, maka pemberian umpan akan menyebabkan terbentuknya MSG. Umpan yang diberikan sekitar 2%. Inti kristal yang terbentuk ini secara perlahan-lahan akan diikuti dengan pemekatan larutan sehingga diperoleh kristal yang lebih besar. Proses kristalisasi ini berlangsung sekitar 14 jam.
Kristal MSG yang dihasilkan dari proses ini dipisahkan dengan metode sentrifugasi dari cairannya. Filtrat hasil penyaringan dikembalikan pada proses pemucatan. Kristal MSG yang dihasilkan setelah disaring kemudian dikeringkan dengan uap panas dalam lorong pengering, kemudian diayak dengan ayakan bertingkat sehingga didapat tiga ukuran kristal, yaitu LLC (Long Large Crystal), LC (Long Crystal), dan RC (Regular Crystal). Sedangkan Fine Crystal yang merupakan kristal sangat kecil dikembalikan pada proses sebagai umpan balik. Hasil MSG yang sudah diayak dalam bentuk kering tersebut selanjutnya dimasukkan ke dalam karung plastik berukuran 50 Kg atau sesuai dengan yang diiinginkan untuk kemudian disimpan sementara dalam gudang  penyimpanan sebelum digunakan untuk keperluan dan tujuan yang lainnya (Budiyanto, 2003).
Menurut Setiawati (2008)  pada dasarnya terdapat 3 metode pembuatan MSG, yaitu (1) hidrolisis,  metode yang telah lama tidak digunakan, (2) fermentasi , metode yang saat ini banyak dilakukan dan (3) sintesis, berbasis pada akrilonitril. Bahan baku untuk pembuatan MSG yang berfungsi sebagai media  bakteri berasal dari bahan alami seperti tetes gula tebu atau tapioka. Spesifikasi pembuatan MSG haruslah mengikuti criteria berikut: (1) kandungan Kristal minimal 99% MSG, (2) kelembapan (kecuali berbentuk air) tidak boleh lebih tinggi dari 0,5%, (3) kandungan natrium klorida tidak lebih tinggi dari 0,5%, (4) kemurnian MSG harus terjaga dari komponen arsenic, besi dan kalsium.
             Menurut Cahyadi, 2006, pembuatan asam glutamate dengan secara fermentasi dengan bantuan Corynobacterium, Brevibacterium, Microbacterium atau Arthrobacterium. Asam gluatamat dapat dihasilkan dari glukosa atau asam asetat sebagai sumber karbon. Reaksi pembentukannya adalah sebagai berikut.
C6H12O6 + 1,5 O2  à C5H9O4N + CO2 + 3H2O
      Menurut said (1987), pembentukan asam glutamate dapat dilakukan dengan menggunakan Micrococcus glutamicus yang kemudian di sebut Corynobacterium glutamicus. Reaksi yang terjadi adalah: (1) metabolism gula melalui jalur EMP(Embden Monophosphate Shunt) dan HMS (Hexosa Monophosphate Shunt), (2) pada laju aerasi yang rendah, jalur EMP dominan dan asam laktat berakumulasi daripada asam glutamat, (3) dengan udara cepat, sistem HMS akan dominan dan asam glutamat berakumulasi.



BAB III
PENUTUP
Jalur utama produksi asam glutamat dari glukosa adalah melalui jalur Embden-Meyerhof dan langkah-langkah awal siklus Krebs. Siklus selanjutnya,  a-ketoglutarat yang secara normal diubah menjadi suksinilkoenzim A, secara reduksi dideaminasi menjadi glutamat oleh glutamat dehydrogenase. Pembentukan asam glutamate dapat dilakukan dengan menggunakan Micrococcus glutamicus yang kemudian di sebut Corynobacterium glutamicus. Reaksi yang terjadi adalah: (1) metabolism gula melalui jalur EMP(Embden Monophosphate Shunt) dan HMS (Hexosa Monophosphate Shunt), (2) pada laju aerasi yang rendah, jalur EMP dominan dan asam laktat berakumulasi daripada asam glutamat, (3) dengan udara cepat, sistem HMS akan dominan dan asam glutamat berakumulasi.
Pada dasarnya terdapat 3 metode pembuatan MSG, yaitu (1) hidrolisis,  metode yang telah lama tidak digunakan, (2) fermentasi , metode yang saat ini banyak dilakukan dan (3) sintesis, berbasis pada akrilonitril.






DAFTAR PUSTAKA

Budiyanto, Agus Krisno. 2003. Mikrobiologi Terapan. Malang: UMM Press
Winarno, FG dan Rahayu Suiistyowati Titi, 1994. Bahan Tambahan Untuk. Makanan dan Kontaminan, cetakan ke-l, Penerbit Pustaka Sinar. Harapan, Jakarta.

Yamaguchi, S., and Ninomiya, K. 2000. The use and utility of glutamate as flavoring agents in food. J. Nutr. 130: 921S-926S

0 komentar:

Posting Komentar